高地应力隧道开挖过程中围岩稳定性分析

屈子财

摘要：高地应力下，隧道的开挖过程中，其周边的围岩易发生整体、局部失稳的现象，这是由于各个方向的主应力和剪应力对岩体发生作用，产生裂缝而引发的。由于可以看出，高地应力下，围岩稳定性有待保证。因此本文就以此为背景来对高地应力隧道开挖过程中，围岩稳定性进行分析，以此来找到隧道开挖过程中的一些影响因素，如围岩强度、埋深、跨度等，为保证施工进度，保证施工人员的安全提供参考。

关键词：高地应力；隧道开挖；围岩稳定性

高地应力下，隧道开挖过程中，围岩会发生变化，具有流变的特点，随着隧道开挖的越来越长，会让荷载向围岩方向转移，从而发生围岩大面积损伤现象。并且高地应力下，开挖过程中，会發生一些自然灾害，影响着施工进度，也影响着围岩整体的稳定性。本文利用数值分析法，对某工程下的高地应力围岩位移进行了模拟分析，分析了其位移的变化规律，为高地应力下隧道开挖提供参考。

一、高地应力的定义

目前关于高地应力还没有一个准确的定义，主要是指岩体由于地壳构造运动而发生的水平应力、内应力、以及其它应力，是一种区别于土体的一种特征。

当三个方向的主应力的最大值达到20～30MPa时，就可以说隧道处于高地应力环境中。当通过自重应力与地应力量级的对比，初始应力状态下，特别是水平应力分量远远超过上覆岩体的重量时，可以认为处于高地应力环境中。我国也给出了高地应力的判定标准，详见表1-1。

表1-1 我国高地应力判别准则

主要现象

极高应力 （1）硬质岩：施工过程中会有岩爆发生以及块体弹出，内壁岩体会发生剥离，新产生裂隙较多，洞成型差；基坑有剥离现象，成型性也差（2）软质岩：开挖过程中洞壁岩体有剥离，岩芯有饼化现象，位移相当显著甚至发生大位移，持续时间长，不容易成洞；基坑发生显著隆起或剥离，不易成形 <4

高应力 （1）硬质岩：施工过程中可能发生岩爆现象，内壁岩体有剥离和掉块现象，新产生裂缝较多，洞成型差；基坑有剥离现象，成形性通常比较好（2）软质岩：施工过程中洞壁岩体位移相当显著，持续时间也较长，不容易成洞，岩芯时有饼化现象；基坑有隆起现象，成形性不好 4-7

二、某工程概况

某隧道工厂位于高地应力环境下，其隧道深度为836m，隧道构造呈NE方向，最大水平主应力呈NW方向，有利于隧道的开挖。周围岩石多为灰岩，本文采用了FLAC的方式来计算差分数值。众所周知，FLAC计算方法是美国LSCA公司跟Cundall共同开发出来的一种计算程序，特别适用于隧道工程分析力学。

三、建立数值模型

（一）计算范围与数值模型

本文以DK160+800-DKl61+000间隧道为了，分析其开挖中的围岩稳定性，此段为高地应力隧道，围岩的级别为III级，采用了上下台阶法来进行隧道的开挖。并设置支护，将支护的结构设置为混凝土的厚度为C25，初衬为23cm，锚杆的长度为3.5m。并将二衬设置为55cm的C35厚的混凝土，以此来计算坐标。其中隧道的水平轴设置为X轴，大地坐标为Y轴，隧道的纵轴为Z轴，将洞室的纵轴跟隧道底板的交点设置成坐标的原点。计算的范围，隧道左右边界各50m，底部跟隧道底板之间的距离控制在30m，隧道的顶部要距离坐标原点为60m，采用FLAC进行模拟，锚杆采用FLAC中的cable结构单元，单元总数为48 980，节点总数为52 608。考虑到地应力、主应力、跟倾角之间的关系，应用回归分析，来计算该区域内的地应力值，详见表3-1。采用摩尔-库存准则，根据现场的调查，测试结果，计算得出模拟隧道的围岩跟支护岩力学指标，详见表3-2。

（二）计算结果分析

随着隧道的开挖，其周围的围岩开始位移，位移的趋势为临空面方向移动，在考虑边界的影响，本文选择了Z=-22.5m的中间断面作为位移分析的主要断面。从而得出，开挖结束候，隧道周围岩石的位移方向都是隧道洞内，并且受高应力的影响，位移没有规律，也不对称，而是有一个夹角的方向位移。同时开挖结束候，左边墙的位移比右边墙位移要小，左边位移46mm，右边为49mm，差了3mm。此外拱顶的最大位移小于拱底的最大位移，拱顶是56mm，拱底是66.7mm，由此可以看出位移不对称。

四、高应力下隧道开挖的建议

通过上文分析，高应力下，隧道开挖，围岩会发生相应的位移，影响着施工进度，影响着人们的生命安全，可以通过以下几个方面来进行控制：

（1）卸压槽法：通过卸压槽法，泄压之后在对隧道进行开挖。卸压之后，围岩差不多会被软化，此时位移就会得到控制。

（2）增加支护衬砌厚：增加支护衬的厚度，会让其破坏越来越小，这样围岩所受到的应力就会越来越小，从而达到控制围岩位移的目的。

（3）增加支护衬砌强度增加：支护衬的厚度增加有限，可以增加其强度，强度越大，对其破坏就越小，从而控制了底板的变型，控制围岩的位移。

（4）增加支护锚杆长度：锚杆的长度虽然控制底板变型的效果不是很理想，但是随着锚杆程度的增加，其依然还是会减少衬砌受力，从而减少底板的变形，控制围岩的位移。

（5）综上，采取增加衬砌厚度、加大支护强度、锚杆加固围岩等，都可以控制高地应力下隧道开挖的围岩的位移，如果对于复杂的地形、位移比较严重的，可以综合应用这几种方法来进行控制。

结束语

综上通过分析，了解到，受地应力的影响，隧道开挖后，其围岩位移比较明显，并且是朝着朝洞发生移动。并且位移的没有对称性，右边的位移距离要比左边的位移厉害。同时通过分析，围岩位移的规律可以看出，高地应力下，位移分布与地应力方向存在密切关系。

参考文献

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（作者单位：辽宁省辽阳市中铁十九局集团第一工程有限公司）